Công nghệ in 3D – Tổng quan về công nghệ in hiện đại này

Công nghệ in 3D hay còn được gọi là công nghệ sản xuất đắp dần (Addictive Manufacturing). Trong lĩnh vực in 3D, hiện có nhiều loại công nghệ và phương pháp in khác nhau. Tuy nhiên, đặc điểm nguyên lý chung của các công nghệ được gọi là công nghệ in 3D đó là: tạo ra sản phẩm bằng cách đắp chồng nhiều lớp vật liệu lên nhau, theo biên dạng có sẵn của bản vẽ 3D (file 3D).

Khi bước vào làm quen với công nghệ in 3D và để có thể làm chủ được việc ứng dụng công nghệ này vào sản xuất. Tối thiểu, bạn cần làm quen và lắm được các khái niệm cơ bản sau:

• File 3D

• Phần mềm 3D

• Lớp in

• Infill

• Support

• Các loại công nghệ in 3D

• Các loại vật liệu in 3D

Dưới đây, tôi sẽ giúp bạn giải thích từng khái niệm và thuật ngữ theo cách ngắn gọn và dễ hiểu nhất:

1. File 3D là gì?

Giống như bạn hay nói: file ảnh, file nhạc v.v… thì file 3D là cách nói dân dã, phổ thông để chỉ các loại file chứa dữ liệu có thể mở/xem được 3 chiều.

Hiện nay, có rất nhiều loại phần mềm 3D khác nhau, điều đó có nghĩa là cũng có nhiều loại định dạng file 3D khác nhau.

Có thể chia các loại định dạng file 3D thành 3 nhóm cơ bản sau:

• Định dạng độc quyền: mỗi loại phần mềm tạo file 3D thì sẽ tạo ra 1 loại định dạng file riêng của nó. Loại định dạng này chỉ mở được khi bạn dùng đúng phần mềm tạo file đó để mở. Ví dụ: .max là định dạng của phần mềm 3ds Max – bạn chỉ mở được file này khi dùng phần mềm 3ds Max.

• Định dạng trung tính: là những định dạng có thể mở được bằng nhiều loại phần mềm khác nhau. Ví dụ: .obj, mở được trên hầu hết các loại phần mềm 3D.

Mỗi loại file 3D sẽ có những đặc điểm khác nhau. Tùy vào các yêu cầu kỹ thuật chuyên sâu thì kỹ thuật viên và nhân viên thiết kế sẽ lựa chọn và đưa ra các chỉ định khác nhau về định dạng file 3D mà họ cần.

Trong lĩnh vực in 3D, nếu làm file phục vụ cho mục đích in 3D thì bạn nên yêu cầu thiết kế xuất file ra định dạng .stl là tốt nhất.

Nếu làm file vừa cho mục đích in 3D, vừa làm file cho mục đích tạo khuôn, CNC – bạn nên yêu cầu thiết kế xuất file ra định dạng .stp, .igs hoặc .x-t.

2. Phần mềm 3D

Như đã nói ở trên, có hàng trăm loại phần mềm 3D khác nhau. Tùy vào mục đích sử dụng thì bạn sẽ lựa chọn phần mềm phù hợp.

Có thể chia các phần mềm 3D thành các nhóm cơ bản như sau:

• Phần mềm mở file/đọc file: thường chỉ có thể mở được một số file 3D trung tính, không độc quyền để xem. Không sửa được hoặc rất ít các tính năng chỉnh sửa.

• Phần mềm tạo file: có nhiều hãng khác nhau trong lĩnh vực này, mỗi loại phần mềm thường sẽ tập trung vào một lĩnh vực và có điểm mạnh nổi trội trong một lĩnh vực nào đó. Ví dụ như: tạo mẫu in 3D, dạng mỹ thuật thì phần mềm được ưa chuộng nhất là Zbrush.

• Phầm mềm chỉnh sửa, xử lý dữ liệu 3D: có những loại phần mềm sẽ dành cho mục tiêu xử lý file 3D riêng. Ví dụ: trong ngành in 3D chúng tôi đang dùng 3D Simplify, Cura để cắt file in và đo khối lượng vật liệu, ước tính thời gian in để lên báo giá cho khách hàng.

Nếu tiếp cận các phần mềm in 3D với vai trò là một người quản lý xưởng đúc, bạn không cần thiết phải học sâu các phần mềm tạo file và phần mềm chỉnh sửa, xử lý dữ liệu 3D (thường là những phần mềm phức tạp, khó sử dụng, tốn nhiều tài nguyên máy tính). Chỉ cần cài đặt một phần mềm mở file cơ bản, dễ sử dụng là bạn đã có thể kiểm soát tốt được dữ liệu sản xuất rồi.

Để kiểm soát file trước khi in 3D, thậm chí bạn không cần cài đặt phần mềm. Bạn có thể truy cập trực tiếp vào https://digman.vn/bao-gia/ load file 3D lên và xem file trực tiếp trên trình duyệt.

3. Lớp in (trong công nghệ in 3D)

Nhắc lại một chút về khái niệm, công nghệ in 3D là công nghệ tạo ra sản phẩm bằng cách đắp chồng nhiều lớp vật liệu lên nhau, theo biên dạng có sẵn của bản vẽ 3D.

Như vậy, độ cao của mỗi lần đắp chồng vật liệu sẽ được gọi là lớp in. Tiếng Anh là layer height.

Thuật ngữ “lớp in” hay “layer height” được sử dụng rất nhiều trong ngành in 3D vì đây là thông số có ảnh hưởng lớn đến độ mịn bề mặt, độ chi tiết, độ chính xác và độ bền của sản phẩm.

• Xét về chất lượng: lớp in càng thấp thì độ mịn, độ chi tiết và độ chính xác của sản phẩm càng cao.

• Xét về thời gian in: lớp in càng thấp thì thời gian in càng lâu.

• Xét về giá thành: lớp in càng thấp thì giá in càng đắt.

Vì vậy, nếu bạn mới tiếp cận với in 3D, hãy in 1 mẫu nhỏ trước hoặc yêu cầu 1 mẫu in nhỏ từ các công ty cung cấp dịch vụ in 3D để biết mẫu bạn cần in nên chọn độ cao lớp in là bao nhiêu. Tránh chọn lớp in quá cao, giá rẻ nhưng không dùng được vì không đảm bảo độ chi tiết. Hoặc chọn lớp in quá thấp, gia tăng chi phí và thời gian không cần thiết.

4. Infill (độ đặc rỗng của mẫu in)

Một ưu điểm nổi trội của in 3D so với các phương pháp sản xuất truyền thống khác là công nghệ này cho phép bạn dễ dàng điều chỉnh độ đặc, rỗng bên trong của sản phẩm.

Tỷ lệ infill có thể được điều chỉnh từ 0 – 100%. Nghĩa là từ rỗng hoàn toàn đến đặc 100%.

Bạn cũng có thể lựa chọn rất nhiều cấu trúc infill khác nhau, như: dạng lưới, dạng tổ ong, dạng ô vuông – tùy theo mục đích in của bạn.

Tỷ lệ infill ảnh hưởng chủ yếu đến độ cứng của mẫu và khối lượng mẫu. Nếu bạn cần mẫu chịu lực tốt, độ bền cao thì đặt infill cao. Nếu bạn cần mẫu dùng một lần, tiết kiệm chi phí, chịu lực thấp thì có thể in rỗng, hoặc đặt infill ở mức thấp từ 3 – 5%.

5. Support

Trong in 3D, support là phần cấu trúc được tạo ra, nhưng không thuộc về mẫu và nó sẽ được bóc bỏ trong quá trình hoàn thiện sản phẩm sau khi in xong.

Bạn có thể hiểu, support giống như “hệ giàn giáo” trong xây dựng vậy. Nhiệm vụ của support là chống đỡ để cho những phần cấu trúc nhô ra của mẫu không bị rơi xuống trong quá trình in 3D.

Thông thường, những vị trí mẫu in bị tiếp xúc với support thì về mặt sẽ không được đẹp. Đồng thời, support càng nhiều thì càng tốn vật liệu in.

Do vậy, nhiệm vụ của chuyên viên thiết kế 3D và kỹ thuật viên  in 3D là cần tối ưu làm sao để càng ít support càng tốt.

Có một số dạng support đặc trưng, ví dụ như support trong công nghệ in SLS (in bột) thì nó chính là lớp bột đệm, được làm đầy và san bằng sau mỗi lớp in. Loại support này không dính vào mẫu, có thể tái sử dụng và không làm ảnh hưởng đến chất lượng của mẫu in 3D.

6. Các loại công nghệ in 3D

Cho dù có cùng một nguyên lý hoạt động là tạo ra mẫu bằng cách xếp chồng từng lớp vật liệu lên nhau. Tuy nhiên, có rất nhiều phương án, giải pháp khác nhau có thể vận dụng nguyên lý này để tạo mẫu. Từ đó, tạo ra rất nhiều công nghệ in 3D khác nhau.

Dưới đây là một số công nghệ in 3D phổ biến nhất trên thị trường hiện nay:

• Stereolithography ( SLA

• Selective Laser Sintering ( SLS

• Fused Deposition Modeling ( FDM

• Digital Light Process (DLP)

• Multi Jet Fusion (MJF)

• PolyJet

• Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

• Electron Beam Melting (EBM)

7. Các loại vật liệu in 3D

Mỗi công nghệ in khác nhau sẽ in được những loại vật liệu khác nhau.

Trên thế giới, vật liệu in 3D có hàng trăm loại vật liệu in 3D khác nhau. Từ nhựa, kim loại, đất sét đến các loại vật liệu, mô sinh học hoặc kẹo, đường, thực phẩm ăn được v.v…

Tại DIGMAN, để in 3D tạo mẫu cho ngành đúc thì chúng tôi đang dùng 3 loại vật liệu cơ bản sau:

7.1. Nhựa PLA

Trong các dòng nhựa in 3D thì nhựa PLA, dạng sợi, dùng cho công nghệ in FDM là loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất. Giá thành rẻ nhất.

Nhựa PLA là một loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học, không chịu được nước và biến tính nếu gặp nhiệt độ >65 độ C. Nếu bạn in mẫu và để mẫu này ở ngoài môi trường (mưa, nắng) thì trong vòng 30 ngày là mẫu có thể bị hỏng, gẫy, mục.

Để giữ mẫu được lâu và có độ bền cao hơn, bạn nên phun một lớp sơn bên ngoài, giữ ở nơi khô ráo, nhiệt độ thấp (dưới 40 độ C), tránh ánh nắng trực tiếp. Nếu vậy, bạn có thể giữ mẫu được trong vài năm mà không có biến dạng gì.

Mẫu in bằng nhựa PLA có thể làm mịn, đánh bóng bề mặt bằng giấy giáp. Nếu muốn làm mịn nhanh hơn và không cần độ chính xác quá cao, bạn có thể sử dụng aceton để làm mịn bề mặt.

7.2. Resin ABS-like

Đây là loại vật liệu lỏng, được dùng trong công nghệ in SLA. Khách hàng thường lựa chọn công nghệ in SLA và vật liệu resin ABS-like khi cần tạo mẫu có độ chính xác cao, độ mịn bề mặt cao và độ chi tiết cao.

Về tính chất vật lý, mẫu in bằng resin ABS-like không bị phân hủy khi gặp nước, nhiệt độ biến tính ~ 65 độ C. Nghĩa là, nếu bạn đặt mẫu vào trong môi trường có nhiệt độ từ 65 độ C trở lên thì khả năng cao mẫu in của bạn sẽ bắt đầu méo mó và biến dạng.

Mẫu in bằng resin ABS-like cũng có thể được làm mịn bằng giấy giáp.

Mẫu in công nghệ SLA, vật liệu resin like ABS

7.3. Sáp đúc

Là loại vật liệu in 3D tạo mẫu có độ tro cực thấp, dùng trực tiếp làm mẫu đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy.

Trước kia, trong công nghệ đúc mẫu chảy, các xưởng đúc thường gặp khó khăn trong công đoạn tạo khuôn để đúc mẫu sáp. Hiện nay, các xưởng đúc hiện đại bắt đầu chuyển sang in 3D tạo mẫu sáp trực tiếp mà không cần làm khuôn đúc sáp.

Công nghệ in 3D cho phép xưởng đúc có thể dễ dàng sản xuất được những mẫu có cấu trúc khó, độ chính xác cao. Có thể sản xuất đơn chiếc với thời gian nhanh và chi phí hợp lý.